极地地质钻探冰孔液压致裂分析

简介

极地地质钻探是获取地层样品、研究极地地质和气候演变等的重要手段。钻遇脆冰层、暖冰层和冰岩夹层等复杂冰层时,易出现孔壁失稳问题,尤其是冰孔液压致裂,造成钻井液流失和钻孔事故。针对冰孔裂缝萌生和扩展问题,基于近场动力学方法(PD),建立了冰孔裂缝模型,实现了对冰孔周边连续和非连续空间的统一描述,避免了经典连续介质力学微分方程在裂缝尖端的奇异性,分析了裂缝动态扩展过程,探究了液压和断裂韧度的影响机制。实例研究表明,孔内液柱压力促进裂缝萌生和扩展,液压从4.0 MPa增加到6.0 MPa和8.0 MPa,冰孔裂缝萌生和分支数量显著增加,裂缝体积占比从4.88%增加到9.61%和12.54%。断裂韧度阻碍冰孔裂缝扩展,从155 kPa·m0.5加到165 kPa·m0.5和175 kPa·m0.5,裂缝体积占比从13.72%降低到12.13%和9.61%。基于近场动力学的冰孔液压致裂分析表明,钻遇韧脆转换冰层时,应及时调整钻井液密度和液柱高度,控制孔内液压,保证安全高效钻进。